Versuch: A3 Verstärkerschaltungen für ein EKG

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1 Versuch: A3 Verstärkerschaltungen für ein EKG Ziel dieses Versuches: Transistoren und OP als Verstärker verstehen. Inhalte: Differenzverstärker aus Transistoren und OPs, Spannungsverstärkung, OP als Komparator, negative Rückkopplung, Verstärker und Pulsformer, positive Rückkopplung, Trigger Vorkenntnisse: Transistorfunktion, Hochpass, Tiefpass, OP, OP-Schaltungen, Vorarbeiten Anleitung durcharbeiten, Fragen in Kap.1 beantworten. benötigte Hilfsmittel Protokollbuch, Millimeterpapier Prof. Dr. Rose FH Münster Stegerwaldstr Steinfurt Tel: 02551/ / -166 Fax: 02551/

2 1 Vorarbeiten: Lesen Sie diese Anleitung. Schreiben Sie die üblichen Angaben ins Protokollbuch. In ihr Protokollbuch: Zeichnen Sie den Differenzverstärker mit Transistoren aus der Vorlesung, schreiben Sie die Verstärkungsformel daneben. Zeichnen Sie den Differenzverstärker mit OP aus der Vorlesung, schreiben Sie die Verstärkungsformel daneben. Zeichen Sie einen Hochpass und einen Tiefpass mit R und C, schreiben Sie die Formel für die jeweilige Grenzfrequenz daneben. A3_2015.doc vom :06:00 Seite 2

3 2 Einleitung 2.1 Allgemeines Mit einem EKG-Gerät können die elektrischen Signale, die das Herz zum Schlagen anregen, gemessen werden (Entschuldigen Sie meine medizinlaienhafte Ausdrucksweise. Bei Wikipedia unter wird das alles etwas ausführlicher dargestellt.).die am Herzen entstehenden Spannungen können an verschiedenen Stellen des Körpers gemessen werden. In diesem Versuch messen wir zwei Spannungen: die Spannung zwischen rechtem Arm und linkem Fuss und die Spannung zwischen linkem Arm und linkem Fuss, veranschaulicht im nächsten Bild. (Ich hab das Bild von einer Webseite [http://formica.nusseis.de/ekg/] kopiert, die + und Zeichen im Bild dürfen Sie nicht Ernst nehmen, die verwirren nur, glaub ich.) Wir benötigen also 3 Elektroden. Zwei werden an das Handgelenk geklebt, etwa da wo man auch Puls fühlt, und eine Elektrode an die Innenseite des linken Fusses, unterhalb des Knöchels. Messsignal verfälschen. Die entstehenden Spannungen sind im Bereich einiger Millivolt, müssen also verstärkt werden. Ein Problem ist, dass viele elektromagnetische Störsignale (z.b. vom Stromnetz, von Elektromotoren usw.) aufgefangen werden und das schwache Abhilfe schafft man auf drei Weisen: Man versucht, die Störungen zu minimieren, durch Abschirmung und durch Schaffung von Abständen. Man filtert das Messignal mit Hoch- und Tiefpässen, so dass die typischen Frequenzen des Signals nicht oder wenig geschwächt werden, die Störfrequenzen aber stark geschwächt werden. Und man misst Differenz von 2 Signalen, so dass Störungen, die auf beiden Signalen ähnlich wirken, dadurch unterdrückt werden. Deshalb wird hier die Differenz der Spannungen zwischen linker und rechter Hand gemessen. Ein typisches Signal hat nebenstehende Form. Dabei beträgt die Spannung des Maximums einige Millivolt, das ganze Signal dauert etwa 1 Sekunde. Mit unserem Versuchsaufbau werden wir insbesondere die R-Zacke sehen können. Für die feineren Strukturen muss die Schaltung dann doch aufwendiger werden. A3_2015.doc vom :06:00 Seite 3

4 2.2 Differenzverstärker mit Transistoren Die beiden Signale zwischen den beiden Händen und dem Fuss werden erst einmal mit einer Schaltung verstärkt, in der 2 Transistoren als Differenzverstärker arbeiten. Die grundlegende Schaltung (hier links) wurde in der Vorlesung behandelt. Dabei sind die Ausgangsspannungen Ua1 bzw. Ua2 proportional zur Differenz der beiden Eingangsspannungen. Im Prinzipschaltbild ist im unteren Teil eine Konstantstromquelle eingezeichnet. Sie wird hier durch den 47kOhm Widerstand näherungsweise ersetzt. Klappt man im nebentehenden Bild den rechten Teil um, dann entsteht genau das Schaltbild hier links. Auf diese Weise soll nämlich hinterher auch die konkrete Schaltung auf dem Steckbrett aufgebaut werden. Welche Unterschiede sieht man noch zwischen Prinzipschaltung und realer Schaltung? Im Prinzipbild werden die Eingangsspannungen direkt an die Basen der Transistoren angeschlossen, im realen Bild ist jeweil noch ein RC-Glied eingebaut. Dieses RC-Glied ist hier ein Hochpass. Für niedrige Frequenzen, insbesondere für Gleichspannung, stellt der Kondensator einen großen Widerstand dar, der Spannungsteiler aus R und C gibt also nur eine kleine Spannung an die Transistoren. Bei hohen Frequenzen ist der Widerstand von C klein, (fast) die gesamte Eingangsspannung liegt an der Transistorbasis an. Niedrige Frequenzen und Gleichspannung werden also unterdrückt. Wo ist die Grenzfrequenz dieses Hochpasses? Mit R=470KOhm und C=10µF folgt eine Zeitkonstante R*C von 4,7 Sekunden, also eine Grenzfrequenz von f=1/(2*pi*4,7sec)=0.03hz. Hiermit werden also sehr langsame Änderungen und Gleichspannungen vom Verstärker ferngehalten. Wie werden die 3 Elektroden angeschlossen? Die Fusselektrode wird mit dem Masseanschluss verbunden, eine Handelektrode mit Eingang in1, die andere mit Eingang i2. Die Verstärkung wird durch das Verhältnis der Kollektor- zu den Emitterwiderständen bestimmt, sollte also v=22/0,47 ~40 sein. Aus einigen Millivolt Eingangsspannung könnten also einige 10 mv bis etwa 100 mv resultieren. A3_2015.doc vom :06:00 Seite 4

5 Dies muss weiter verstärkt werden. Dazu nehmen wir einen weiteren Differenzverstärker, der mit einem OP aufgebaut wird. 2.3 Differenzverstärker mit OP In der Vorlesung ist diese Schaltung behandelt werden. Sie sieht prinizipiell so aus: Hier ist die Ausgangsspannung auch proportional zur Differenz der beiden Eingangsspannungen, die Verstärkung entspricht dem Verhältnis der Widerstände in Zuleitung und Rückkopplung, ist also hier 1MOhm/10kOhm = 100. Allerdings fügen wir auch in dieser Schaltung noch Kondensatoren ein, um einen weiteren Hochpass und einen Tiefpass zu erzeugen. In einer vereinfachten Analyse kann man sich folgendes überlegen: Schauen wir uns erst die 10nF in der Rückkopplung an. Bei niedrigen Frequenzen ist dessen Wechselstromwiderstand sehr hoch, also wird die Rückkopplung durch den 1MOhm Widerstand bestimmt. Bei hohen Frequenzen nimmt die Impedanz des Kondensators ab, sie wird sogar kleiner als 1 MOhm, die Verstärkung wird jetzt (Parallelschaltung von Widerständen) durch die Impedanz von C bestimmt, die mit zunehmder Frequenz kleiner wird. Also werden hohe Frequenzen immer weniger verstärkt: ein Tiefpass. Seine Grenzfrequenz wird wieder über R und C bestimmt. R*C=1MOhm*10nF=10ms, also Grenzfrequenz f=1/(2*pi*10ms)~16hz. Frequenzen oberhalb von 16 Hz werden also immer schlechter übertragen. Das gilt auch für Störungen, die durch das 50Hz Stromnetz hervorgerufen werden. Was bewirken die 10µF in den Eingangsleitungen? Hier werden niedrige Frequenzen unterdrückt, es entsteht ein Hochpass. Die Zeitkonstante ist R*C=10kOhm*10µF=0,1s, also Grenzfrequenz f=1/(2*pi*0,1sec)= 1,6Hz. Frequenzen oberhalb von 1,6Hz werden also gut verstärkt, Frequenzen unterhalb immer schlechter. Ist das eigentlich sinnvoll, wenn die Herzschlagfrequenz etwa 1 Hz ist? Bei einer Spannungsverstärkung von etwa 100 sollten also jetzt Ausgangsspannungen im Voltbereich entstehen. einen weiteren OP-Verstärker ein. 2.4 Spannungsverstärker mit OP Falls aber die Ausgangsspannung immer noch nicht groß genug ist, bauen wir noch Es ist ein einfacher nichtinvertierender Spannungsverstärker, dessen Vestärkung sich mit einem Potentiometer einstellen lässt. A3_2015.doc vom :06:00 Seite 5

6 Überlegen Sie sich zuerst, wie die Ausgangsspannung von der Eingangsspannung abhängt, wobei kein Kondensator C1 eingebaut ist. Überlegen Sie dann, welchen Einfluss C1 hat, wenn die Eingangsspannung eine hohe bzw. niedrige Frequenz hat. 3 Versuche 3.1 Aufbau und Test des Differenzverstärkers mit Transistoren Bauen Sie den Differenzverstärker auf. Messen Sie in einer kurzen Messreihe die Verstärkung als Funktion von f. Legen Sie die Versorgungsspannung an. Testen Sie die Schaltung: Legen Sie mit dem Funktionsgenerator eine Sinusspannung mit einer Frequenz f von einigen Hz und einer Amplitude von einigen mv oder einigen 10mV an den Eingang in1, den Eingang in2 legen Sie auf Masse. Mit dem Oszilloskop untersuchen Sie die Eingangsspannung und die Ausgangsspannungen an out1 bzw. out2. Wie verhalten sich die beiden Ausgangsspannungen? Was ändert sich, wenn das Signal an in2 gelegt wird und in1 auf Masse liegt? Wie groß ist die Verstärkung? Ändert sich die Verstärkung, wenn f geändert wird? A3_2015.doc vom :06:00 Seite 6

7 3.2 Aufbau des Differenzverstärkers mit OP Bauen Sie jetzt neben die erste Stufe den Differenzverstärker mit OP auf. Dabei muss später out1 der ersten Stufe mit in1 der zweiten Stufe verbunden werden, entsprechend out 2 mit in2. Jetzt wird aber diese 2. Stufe erst einmal separat getestet. Legen Sie mit dem Funktionsgenerator eine Sinusspannung mit einer Frequenz f von einigen Hz und einer Amplitude von einigen mv oder einigen 10mV an den Eingang in1, den Eingang in2 legen Sie auf Masse. Mit dem Oszilloskop untersuchen Sie die Eingangsspannung und die Ausgangsspannungen an out1 bzw. out2. Wie verhalten sich die beiden Ausgangsspannungen? Was ändert sich, wenn das Signal an in2 gelegt wird und in1 auf Masse liegt? Wie groß ist die Verstärkung? Ändert sich die Verstärkung, wenn f geändert wird? Messen Sie in einer kurzen Messreihe die Verstärkung als Funktion von f. Jetzt verbinden Sie die erste und die zweite Stufe und testen die gesamte Schaltung noch einmal. 3.3 Aufbau des Spannungsverstärkers mit OP Bauen Sie rechts neben die bisherige Schaltung die letzte Stufe. Stellen Sie das Potentiometer auf einen mittleren Wert. Verbinden Sie den Ausgang out der 2. Stufe mit dem Eingang in der 3 Stufe. Test Sie jetzt noch einmal kurz die gesamte Schaltung. 3.4 Aufnahme der EKG-Signale Jetzt wird der Funktionsgenerator nicht mehr gebraucht. Nehmen Sie ihn aus dem Rahmen heraus. Schieben Sie jetzt das Netzgerät im Rahmen ganz nach links, die Schaltbretter ganz nach rechts. Verbinden Sie Netzgerät und Schaltung über drei Kabel. A3_2015.doc vom :06:00 Seite 7

8 Der Grund ist: Das Netzgerät, vermutlich vor allem der Transformator, erzeugt relativ starke Störungen in der Elektronik. Diese werden vermindert, wenn man den Abstand zwischen Netzgerät und Schaltung erhöht. Jede Person im Praktikum erhält jetzt einen eigenen Satz Elektroden. Kleben Sie sich die Elektroden an: Rote Elektrode: rechtes Handgelenk Gelbe Elektrode: linkes Handgelenk Schwarze Elektrode: linker Fuss Verbinden Sie die schwarze Elektrode mit der Masseleitung ihrer Schaltung, die rote mit dem Eingang in1 der 1. Stufe, die gelbe mit Eingang in2 der 1. Stufe. Schalten Sie den Verstärker ein. Messen Sie die Ausgangsspannung der 1. Stufe, z.b. an out1 mit dem Oszilloskop. Stellen Sie das Oszilloskop so ein, dass sie Signale mit Sekundenabständen und etwa 10 mv Pulshöhe sehen können. Wenn die Elektroden frisch sind und sie sich wenig bewegen, sollten auf dem Oszilloskop in einem relativ stark verrauschten Signal kleine Pulse zu sehen sein. Jetzt messen Sie die Ausgangsspannung nach der 2. Stufe. Hier sollten die Signale wesentlich besser sichtbar sein. Messen Sie die Signale nach der 3 Stufe. Protokollieren Sie, was Sie auf dem Oszilloskop sehen. Entweder abzeichnen oder fotografieren und später ins Protokollbuch einkleben. Wie hoch sind nach den einzelnen Stufen jeweils die Signale und das Rauschen? A3_2015.doc vom :06:00 Seite 8

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